二甲基亚砜对甲烷水合物成核与生长动力学的浓度依赖性调控机制研究

【编辑推荐】本研究首次系统揭示二甲基亚砜（DMSO）在0-40 mass%浓度区间对甲烷水合物动力学的双相调控：低浓度（1-20%）通过降低成核功（ΔTo最小1.83±0.40 K）显著促进成核（5%时成核速率J提升6倍），而高浓度（>30%）转为抑制；生长动力学则在1-40%持续增强（20%达最优），为天然气储运和管道防堵技术开发提供新见解。

　　

Highlight

作为热力学水合物抑制剂（THI），二甲基亚砜（DMSO）能将气体水合物平衡曲线向低温方向移动。但更重要的是探究当体系进入水合物稳定区时，其形成速度和规模如何变化。本研究通过摇摆反应器系统揭示了DMSO对甲烷水合物成核与生长动力学的浓度依赖性影响。

关键发现

DMSO对甲烷水合物成核和生长的作用呈现浓度依赖性调控。通过测量0-40 mass% DMSO水溶液的 hydrate onset temperature（T_o）和 subcooling（ΔT_o），发现T_o(ω_DMSO)在1 mass%时达到峰值281.52±0.58 K。1-20 mass%浓度区间内，成核事件随机性低于纯水体系（ΔT_o最低达1.83±0.40 K@5 mass%），而高浓度（40 mass%）时ΔT_o反超纯水体系。

动力学转折点

5 mass% DMSO使成核速率J提升6倍，而40 mass%时J降低同等幅度。分析表明1-20 mass%能增加成核中心数量并降低成核功，40 mass%则产生相反效应。有趣的是，DMSO在1-40 mass%范围内持续促进甲烷水合物生长（20%效果最佳），但>20 mass%时促进作用减弱，推测>40 mass%将转为抑制。

结论

基于CH₄-DMSO-H₂O体系三相平衡数据，本研究首次阐明DMSO在低浓度（≤30 mass%）表现为动力学促进剂，而高浓度（>30 mass%）恢复为抑制剂的"双刃剑"特性，为天然气水合物技术开发提供了精准调控策略。